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化妝品oem貼牌代加工廠常用設備添加時間:2020-6-9 17:42:04

 化妝品多為乳液狀、膏狀、水狀、粉狀,是由多種化學原料、天然原料復配的一種精細化學品,在生產過程中較少發生化學反應。用于化妝品生產的設備多為一些中小型化工企業的簡單加工設備,同時它們具有多用性,同一種設備可用于不同類型的產品的生產;瘖y品最終的狀態和流變性質取決于原料的屬性、配比,除此之外最重要的影響因素來自于設備的選擇和使用。在化妝品的制備過程中主要涉及原料的粉碎、研磨,物料的混合、乳化、分散,物料的輸送、加熱、滅菌,產品的成型、包裝,化妝品用水的純化等多個環節。本章根據化妝品的類型和工段的差異,主要介紹膏乳制品的乳化設備、乳化后混合脫氣設備以及附屬的純化設備、滅菌設備和灌裝設備等。

 

乳化設備

膏乳類化妝品包括雪花膏、冷霜、營養霜、潤膚乳、洗發乳、防曬霜、洗面奶、護手霜等,是化妝品中最常用的一個大類。膏乳類化妝品常用的設備主要有各種類型的攪拌設備、均質設備、三輥研磨機、真空脫氣設備等。在膏乳類化妝品的生產過程中保證質量的最關鍵的一步是乳化,因此乳化設備是最為重要的一種設備。對于膏乳類化妝品,乳化過程的控制是至關重要的環節,可影響產品的最終狀態、穩定性、流變性質。在精細化學品工業中常用的乳化方法有物理化學結合法和機械法;瘖y品的制備過程中,很少涉及化學反應,機械法混合是最為常用的方法。根據乳化設備的差異和過程的差別,機械法又被分成了管動法、射流法、攪拌法、均質法等,其中攪拌法和均質法是目前化妝品工業中最為常用的兩種方法。一般攪拌乳化可得到顆粒度為5~10μm的乳液,膠體磨可將乳液的顆粒度控制在1~5μm,超聲波乳化機、高剪切均質和高壓均質機則能實現1μm以下。最為常用的攪拌法,獲得的乳液粒徑較大,穩定性和細膩度不佳。因此,為了提高化妝品的品質,具有更強分散能力的高效能均質乳化設備(如膠體磨、高剪切均質機、高壓均質機、超聲波乳化機)目前被大量采用。

因此本節主要介紹膏乳類化妝品乳化過程中常用的攪拌設備和均質機,并簡單介紹不同設備的作用原理和適用條件。

 

攪拌乳化設備

1-1:攪拌乳化機理和乳液穩定性

1)攪拌乳化機理 攪拌乳化是有水分散體系的最為基礎也是最為常用的手段,根據攪拌容器中物料的混合方式的差異,物料的攪拌乳化主要通過以下幾種機制實現。

①對流混合。攪拌容器中,通過攪拌器的旋轉把機械能傳遞給液體物料,引起液體的流動,產生強制對流,形成物料的對流混合。主要包括主體對流(物料大范圍的循環流動)和渦流對流(漩渦的對流運動)。

②擴散混合。攪拌容器中,各組分在混合的過程中,以分子熱運動(擴散)形式向四周無規則運動,從而增加了兩個組分間的接觸面積且縮短了擴散平均自由程,達到均勻分布的目的。對于互不相溶組分的粒子,在混合過程中以單個粒子為單元向四周移動,類似氣體和液體分子的擴散,使各組分的粒子先在局部范圍內擴散,達到均勻分布。

③剪切混合。剪切混合是指攪拌器通過機械作用在物料粒子間形成剪切面之間的滑移和沖撞作用,促進了物料之間的局部混合。對于高黏度流變物料,剪切混合是主要的混合驅動力。

(2)液體混合物的穩定性 液體混合物的穩定性是指參與混合的各組分(液體、固體、氣體)分散后,抵抗重新聚集或分層的能力。通常,相溶的液體與液體的混合物、以及相溶的固體和液體之間的混合物是最穩定的;不溶固體與液體、液體與液體之間的混合物穩定性較差。分散體系穩定的關鍵是要選擇合適的乳化劑,以及合適的乳化設備。

1-2:攪拌乳化設備的構成和類型

液態非均相的物質之間的初步混合和加熱通常通過攪拌器或攪拌釜實現,其中小規模生產可通過攪拌器實現,而大規模的生產則需要采用攪拌釜。攪拌乳化設備一般用來處理低黏度或中等黏度的液體。

(1)攪拌乳化設備的構成 攪拌釜的基本構造由攪拌器(又稱葉輪)、測溫裝置、取樣裝置、釜殼等組成。攪拌器的主要功能是實現物料的混合、分散、乳化。它主要由攪拌槳、攪拌軸、電機、變速器等部分組成。攪拌釜殼一般是具有夾套結構的金屬、玻璃、搪瓷的圓筒形外殼,釜內壁多為耐酸堿的搪瓷涂層。為了進料和出料的方便,夾套上端通常設有加料口,下端設有出料口,夾套內可添加循環導熱介質(硅油或水),配合導熱介質的生產過程則需要外加高溫循環泵。部分不具有夾套結構的攪拌釜,則可將導熱介質通過蛇形管置于釜內,實現乳化過程的有效控溫。為了機械結構的穩定,攪拌機通常被固定于釜頂,或者固定于可以移動的穩定構件上。

(2)攪拌乳化設備的類型

①立式攪拌釜。立式攪拌釜是最為常用的穩定攪拌設備,如圖10-1所示,該類攪拌釜的特點是攪拌器垂直安裝,電機、變速器、軸的中心在一條垂直于地面的線上。

 

 

立式攪拌釜的結構圖

②臥式攪拌釜。臥式攪拌釜通常是軸對稱的結構,軸為平行于地面的水平型(圖10-2),其最顯著的優勢是改變了釜內物料的高度,增大了液面表面積,改善攪拌設備的振動穩定性,可有效結合物料的沉降平衡和攪拌混合,快速實現物料的混合與乳化。通常配合安裝無通軸螺帶式攪拌器,有效地實現水平方向上的整體混合。部分臥式攪拌釜的螺帶式攪拌器的螺帶結構采用中空鋼管,并在鋼管上設計通氣小孔。氣體從氣孔進入,分布到框架管內,又從管上的其他小孔排出,均勻分布在液體中,攪拌器在轉動過程中帶動液體流動同時促進氣體在液體中的分布,這樣比固定分布管式結構的分散效果更好。

 

臥式攪拌釜的結構圖

③偏心攪拌設備。攪拌器偏心安裝的乳化攪拌設備為偏心攪拌設備,這種攪拌設備通?梢愿淖兏獌鹊囊后w循環路線(圖10-3),可以解決攪拌過程中液體分層,物料沉降等問題。

 

 偏心攪拌器液體流動形狀

④移動式攪拌設備。移動式攪拌設備一般由攪拌器、軸和電機構成,可以完成小規模攪拌、混合、乳化等過程,攪拌器本身不具筒狀的釜體結構,因此使用過程中需要根據需求配合使用能夠加熱的外部設備(圖10-4)。該類攪拌設備具有便攜、靈活、簡便的優勢,適合于實驗室小規模的研究和生產。

 

移動式攪拌器

攪拌器的分類和液體流動方式

(1)攪拌器的分類 攪拌器又稱為攪拌槳,是攪拌釜結構中最為關鍵的部件。在液體介質的混合中,攪拌器的類型決定了分散體系的乳化效果、乳化速率、產品的穩定性。攪拌器根據攪拌速率可以初步分為高速型和低速型兩大類。高速攪拌器主要適用于低黏度的液體物料的分散、乳化、混合;低速攪拌器是指在相對靜止的情況下工作的一類攪拌器,適用于高黏度物料之間的攪拌分散。根據結構差異,又可將攪拌器分為槳式攪拌器、旋槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、框式攪拌器、錨式攪拌器等。


(2)攪拌器與液體流動方式 攪拌引起液體運動,運動液體具有三個方向的速度,分別是徑向速度、軸向速度和切向速度。其中徑向速度和軸向速度對混合起關鍵作用。切向速度使液體繞軸轉動,形成速度不同的液層,在離心力的作用下,產生表面下凹的旋渦,形成打旋現象。攪拌將產生三種基本流型:軸向流動、徑向流動、軸向和徑向混合流動,圖10-5為攪拌器與基本流型之間的關系。

 

攪拌器流型分類圖譜

①軸向流動。軸向流動是指液體從軸向流入葉輪,并從軸向流出,攪拌速度較快時產生打旋現象,轉速越快漩渦越深,速度極快時葉片可露出液面[見圖10-6(a)],導致空氣混入混合體系而產生氣泡,影響乳劑外觀。為了解決這個問題,釜壁通常會安裝擋板,這樣可以有效地避免產生漩渦現象[見圖10-6(b)] 。常見的可產生軸向流動的攪拌器有旋槳式攪拌器、螺桿式攪拌器等。

 

軸向流動無擋板(a)和有擋板(b)的流體形狀

②徑向流動。徑向流動是指液體從軸向流入,從徑向流出的流體運動形式(圖10-7)。釜壁安裝擋板,可促進液體徑向流動,得到較好的攪拌乳化效果。較為典型的徑向流動攪拌器有渦輪式攪拌器和平直的葉片式攪拌器。

 

徑向流動

③軸向和徑向混合流動;旌狭鲃邮侵敢后w在發生軸向流動的同時在轉軸附近有部分液體自上而下地流動,向釜底推進后由鍋底往上流動進行循環,產生徑向流動(圖10-8)。較為典型的混合式攪拌器有折葉式葉片攪拌器。

 

軸向和徑向混合流動

1-3:葉片式攪拌器

葉片式攪拌器又稱槳式攪拌器,是最為簡單的一種攪拌器。槳葉由平板條鋼制造,一般葉片的數量為2~4片,槳葉直徑為釜體的內徑的1/3~2/3。根據槳葉的形態分為平直葉式和折葉式(圖10-9)。平直葉式攪拌器的葉片和旋轉平面垂直,槳葉直徑與高度比為4~10,圓周的旋轉速率為20~150r/min,主要產生徑向流動。折葉式攪拌器通常由直葉式攪拌器的葉片相反折轉一定角度得到,折角可產生軸向流,使葉輪兼有軸向流和徑向流的優勢,目前葉片式攪拌器中以折葉式較為常用。葉片式攪拌器在眾多攪拌器中結構相對簡單,適用于低黏度物料以及固體物料的混合,當容器內液位較高時,可在同一軸上同時安裝多排槳葉來提高分散效果。

 

 折葉式攪拌器的常見結構

1-5:旋槳式攪拌器

旋槳式攪拌器與輪船的螺旋槳推進器的形狀相似,因此也被稱為推進式攪拌器。如圖10-10所示,攪拌器的結構通常是由2~3片旋轉槳組成,槳片通常采用螺母固定于軸上,為了結構穩定,螺母的擰緊方向與槳葉旋轉方向相反。槳葉旋轉直徑約為容器直徑的0.2~0.3倍,攪拌器葉片與旋轉平面具有一定的角度,以軸向流為主,伴有徑向流。由于螺旋槳的推進作用,使得液體在攪拌罐中心附近形成向下的流動,外部液體則呈現向上的流動,通過中心物料和外部物料的循環實現物料分散(圖10-6)。旋槳式攪拌器最高轉速可達300r/min,循環量大,適用于大容器低黏度(<2Pa·s)物料的混合。

 

普通旋槳式攪拌器的結構

1-5:渦輪式攪拌器

渦輪式攪拌器的基本結構類似于離心泵,由軸、圓盤、葉片組成。圓盤和葉片(4~6片)相互垂直。常見葉片為平直或彎曲狀態,槳葉的外徑、寬度與高度的比通常為20∶5∶4。該類攪拌器的攪拌速度較高,一般轉速為100~500r/min。

 

 渦輪式攪拌器的結構

渦輪式攪拌器在攪拌過程中,攪拌器高速運轉可產生強大的離心力,將液體物料吸入輪心,同時在離心力的作用下液體沿著渦輪切線的方向拋出,湍流程度大,剪切力大,可將乳液細化。渦輪式攪拌器主要產生徑向流,同時也伴隨著軸向流。該攪拌器適用于4~6m3液體物料的混合,也可用于氣體及其不相溶液體、固液之間的混合。與旋槳式攪拌器相比渦輪式攪拌器液體流動的方式更為豐富,流動的速度更高,槳葉附近液體的湍流更為劇烈,剪切力更大,因此在乳化過程中可以獲得粒徑更小的乳液。如圖所示,由于渦輪轉動的高速離心力對上下層液體均有較強的吸入力,因此攪拌器上下物料均可形成自身的液體流動回路,這一特點使得渦輪式攪拌器不適用于容易分層液體物料的混合。為了解決這一問題,通常是將該類攪拌器安裝位置更偏向釜的底部,使得攪拌器以下徑向流動的液體碰底后快速折回,并帶動底部密度較大的物料,實現釜內物料的良好循環。此外,也可通過加擋板減小輪中心的離心漩渦,增強折流引起的軸向流等方式更好地混合物料。傾斜安裝渦輪攪拌器可破壞常規的循環回路增加旋轉的阻力,也可實現分層物料之間混合的目的?傮w而言,渦輪式攪拌器適用于中低黏度物料。

1-6:框式攪拌器

框式攪拌器適用于高黏度物料的攪拌,其外形輪廓與容器壁形狀相似,底部形狀適應罐底輪廓,多為橢圓或錐形等,槳葉外緣至容器底部的距離為30~50mm[圖10-12(a)]?蚴降慕Y構簡單堅固,制造方便,而且在工作時能攪動大量的物料,不易產生死區。此類攪拌器的轉速較慢,所產生的液流的徑向速度較大,而軸向速度較低,為了加強軸向混合,并減小因切線速度所產生的表面漩渦,可加裝擋板。

1-7:錨式攪拌器

錨式攪拌器與框式攪拌器類似,其外形類似于輪船的錨,因此得名,槳葉外緣形狀與攪拌槽內壁間間隙較小[圖10-12(b)],在攪拌過程中可清除附著于槽壁的黏性物質或堆積于槽底的沉淀物,能夠保持較好的傳熱效果。槳葉外緣的圓周速度為15~80r/min,可用于攪拌黏度高達 200Pa·s的牛頓型流體和擬塑性流體。

 

 框式攪拌器(a)和錨式攪拌器(b)的形狀和液體流動

1-8:螺帶式或螺桿式攪拌器

螺桿式攪拌器采用焊接的方式將平板葉片以螺旋的方式焊接在軸上[圖10-13(a)]。螺帶式攪拌器有單條或雙條螺帶結構,螺旋之間采用支撐桿固定,每個螺距設置2~3根桿件用于螺帶的固定[圖10-13(b)]。螺帶或螺桿的外廓尺寸接近容器內壁,使攪拌涉及整個罐體。螺帶或螺桿式攪拌器均為軸流型攪拌器,工作過程中,液體物料沿螺旋外側螺旋上升,在中心形成凹穴匯合,形成外上內下的對流循環。該類攪拌器具有較強的防止物料附著于釜壁的作用,因此適用于高黏度液體或粉狀物料的混合。螺帶和螺桿的形式可根據容器的幾何形狀和液層高度來確定。一般單螺帶式、雙螺帶式攪拌器適用于平底或橢圓底容器;錐形螺帶式攪拌器(圖10-14)適用于90°錐底容器。

 

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